陳 璐，梁 巧

（1.杭州安通公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江交工高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

強(qiáng)基薄面的路面結(jié)構(gòu)因良好的特性在我國(guó)廣泛使用，但隨著交通軸載的增加，反射裂縫始終是無法回避的問題。隨著使用年限的增加，半剛性基層本身不強(qiáng)的抗疲勞性能會(huì)制約整體路面結(jié)構(gòu)達(dá)到長(zhǎng)壽命的使用要求[1]。因此隨之而來的“開膛破肚”式的大修會(huì)降低公路工程設(shè)計(jì)壽命的經(jīng)濟(jì)效益。

而相比于半剛性基層，柔性基層本身優(yōu)良的特性可以從源頭消除反射裂縫[2]。從柔性基層的機(jī)理可知，車轍與開裂通常產(chǎn)生于瀝青面層，不同于半剛性基層的結(jié)構(gòu)性破壞。采用柔性基層可避免“開膛破肚”式的大修，而且運(yùn)維成本較低，對(duì)通行的影響較小。在此基礎(chǔ)上采用銑刨料可以緩解天然石料的緊缺，進(jìn)一步提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，符合道路長(zhǎng)壽命的理念[3]，并且已有研究者在室內(nèi)試驗(yàn)與試驗(yàn)段的基礎(chǔ)上提出了再生柔性基層[4]。銑刨料的再生利用源自于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，美國(guó)、西歐發(fā)達(dá)國(guó)家與日本自80年代至今都保持著較高的銑刨料利用率[5-8]。周志堅(jiān)等發(fā)現(xiàn)，采用銑刨料不僅能節(jié)約新瀝青的摻量，而且可提高高溫穩(wěn)定性和間接拉伸強(qiáng)度[9]。王松根等在研究與實(shí)踐中驗(yàn)證了大粒徑柔性基層可用過舊路改造，并且可以有效防止反射裂縫的產(chǎn)生[10]。對(duì)于銑刨料的再生使用，研究者用過路用性能、設(shè)計(jì)方法以及使用后的性能預(yù)估等，均有豐富的成果，推動(dòng)了銑刨料的再生應(yīng)用。鑒于此，本文采用緩裂型級(jí)配的設(shè)計(jì)思想，借助瀝青路面面層銑刨料與大粒徑粗骨料混合提出大粒徑瀝青混合料柔性基層的設(shè)計(jì)方法，通過數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)級(jí)配，再確定新瀝青與再生劑的摻量，驗(yàn)證大粒徑抗裂再生柔性基層的適用性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 抗裂性能評(píng)價(jià)

瀝青路面的開裂多數(shù)是由于疲勞開裂引起，隨著軸載作用次數(shù)的增加與損傷的加劇，超過一定界限會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，因此抗裂性能在一定程度上決定道路的使用壽命。對(duì)于抗裂性能的評(píng)價(jià)方法有很多，其中以斷裂學(xué)評(píng)價(jià)方法最符合實(shí)際。半圓彎曲試驗(yàn)（SCB試驗(yàn)）操作簡(jiǎn)單，試件來源廣泛，重復(fù)性好，是近年來評(píng)價(jià)瀝青混合料開裂性能的主要方法[11]。因此本文基于SCB試驗(yàn)以線彈性斷裂力學(xué)的方法，采用斷裂能來評(píng)價(jià)柔性基層的抗裂性能。斷裂能計(jì)算如式（1）：

式中：ufinal為試件破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的加載點(diǎn)位移；t為試件厚度，mm；r為試件半徑，mm；a為SCB切口深度，mm；P為破壞荷載，kN。

1.2 試驗(yàn)方法

在級(jí)配設(shè)計(jì)中，擬定的不同級(jí)配對(duì)應(yīng)的最佳油石比必然存在差異，而瀝青用量會(huì)影響混合料的性能，因此為了減小油石比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用離散元軟件PFC 2D 5.0進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。

1.2.1 SCB試驗(yàn)

試驗(yàn)在-10℃進(jìn)行，加載速率為5 mm/min，采用具有伺服機(jī)制的UTM試驗(yàn)機(jī)開展試驗(yàn)。為了減小平行試件的誤差，采用150 mm的試件直徑[12]。為了防止切口過大造成應(yīng)力集中[13]，切口尺寸參照AASHTO TP124，長(zhǎng)度和寬度分別為15 mm和1.5 mm，試件底部支撐點(diǎn)間距取120 mm。

1.2.2 單軸貫入試驗(yàn)

單軸貫入試驗(yàn)采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，壓頭直徑為38 mm，試驗(yàn)溫度采用60℃，試驗(yàn)加載速率為1 mm/min，單軸強(qiáng)度按式（2）計(jì)算。

式中：τs為試件的單軸貫入剪切試驗(yàn)強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；A為貫入桿的截面積，mm2。

1.3 數(shù)值試驗(yàn)方法

先繪制試件輪廓與底座、加載板，再生成墻體，在試件輪廓中生成顆粒，再刪除試件輪廓的墻體，按照室內(nèi)試驗(yàn)加載速率開始試驗(yàn)。虛擬試驗(yàn)本構(gòu)參數(shù)以室內(nèi)試驗(yàn)誤差±10%進(jìn)行標(biāo)定，最終確定了一組較為理想的試驗(yàn)參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值試驗(yàn)本構(gòu)參數(shù)

2 大粒徑抗裂再生柔性基層級(jí)配設(shè)計(jì)

2.1 原材料

新?lián)饺氲臑r青采用鎮(zhèn)海重交通70號(hào)道路石油瀝青，大粒徑粗集料采用石灰?guī)r，指標(biāo)均符合規(guī)范要求?；厥樟蠟锳C-13，設(shè)計(jì)級(jí)配與抽提后的級(jí)配見表2，抽提的油石比為4.4%.

表2 回收料抽提前后級(jí)配對(duì)比

由表2可知，相比于剛建成時(shí)期，各篩孔的通過率均有所提升，與建成后車輛反復(fù)作用相關(guān)。初期表現(xiàn)為混合料的進(jìn)一步壓密。而在重載車輛的作用之下，填充骨架的2.36 mm與1.18 mm破碎最為明顯，細(xì)集料逐漸從骨架結(jié)構(gòu)中剝落，而0.075 mm的通過率已超出規(guī)范上限，容易導(dǎo)致路面發(fā)生泛油、車轍等病害。

2.2 基于抗裂性能的柔性基層級(jí)配優(yōu)化

本文采用正交試驗(yàn)進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)提高試驗(yàn)效率，為了防止正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)小粒徑篩孔的通過率高于次高級(jí)粒徑篩孔的通過率，根據(jù)ATB-30的規(guī)范級(jí)配作出一定調(diào)整，結(jié)果見表3。

表3 初步調(diào)整的ATB-30級(jí)配

大粒徑的顆粒通常對(duì)高溫性能與力學(xué)性能影響較大，而細(xì)集料中4.75 mm、2.36 mm與0.075 mm通過率會(huì)對(duì)低溫性能產(chǎn)生影響[14]，因此選定26.5 mm、19 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm 的通過率作為影響因素，影響水平取4個(gè)。在級(jí)配初步調(diào)整后，根據(jù)選擇的試驗(yàn)因素和水平進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)水平與因素見表4。

表4 正交試驗(yàn)水平和因素

根據(jù)表4的試驗(yàn)水平和因素，采用SPSS軟件設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)計(jì)劃，進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果見表5，試驗(yàn)結(jié)果分析見表6。

表5 關(guān)鍵篩孔通過率正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

表6 因素極差分析

通過正交試驗(yàn)的極差分析可知，粒徑越大，對(duì)高溫性能的影響程度越大；對(duì)于SCB的破壞荷載，0.075 mm通過率影響最大，26.5 mm次之；而抗裂性，0.075 mm通過率影響最大。驗(yàn)證了高溫性能由粗骨料的占比決定，而數(shù)值試驗(yàn)參數(shù)是依據(jù)出廠瀝青的性質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定，適量增加0.075 mm的通過率可提高耐久性，延長(zhǎng)道路使用壽命，對(duì)基層抗裂性能有明顯的影響。根據(jù)表3的抽提結(jié)果，說明可以充分利用破碎后的細(xì)料來提高基層的抗裂性能。根據(jù)正交試驗(yàn)的模擬結(jié)果，關(guān)鍵篩孔取試驗(yàn)值，其余篩孔取規(guī)范中值，ATB-30抗裂級(jí)配如表7所示。

表7 ATB-30抗裂級(jí)配

在已有級(jí)配的基礎(chǔ)上，首先測(cè)試馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，采用大馬歇爾試驗(yàn)方法，結(jié)果見表8，以此作為確定新?lián)郊訛r青與再生劑的依據(jù)。

表8 不同成型方法下馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 再生緩裂ATB-30油石比

3.1 回收料瀝青的性質(zhì)

通?；厥樟系脑偕O(shè)計(jì)是在回收料中摻入再生劑，目前舊料瀝青的抽提通常采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法與阿布森法，但后者操作復(fù)雜且受主觀影響較大，并且易產(chǎn)生較大的試驗(yàn)離散性[15]，因此采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法提取回收料中的瀝青。新?lián)饺氲?0號(hào)道路石油瀝青與抽提后的瀝青關(guān)鍵性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表9。

表9 重交通70號(hào)道路石油瀝青技術(shù)性質(zhì)

3.2 再生劑摻量的研究

再生劑摻量通常只研究了在舊料中的摻量，但與新料混合需要增加瀝青時(shí)，對(duì)混合而成的瀝青指標(biāo)的變化規(guī)律也有必要研究。抽提的油石比為4.4%，根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，換算后油石比增量為0.14%，以此研究再生劑摻量對(duì)瀝青指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)果見表10，對(duì)比結(jié)果見表11。

表10 不同再生劑摻量下混合瀝青的指標(biāo)

表11 不同再生劑摻量下混合瀝青的指標(biāo)

由表10可知，隨著再生劑摻量的增加，不滿足70號(hào)瀝青的指標(biāo)逐漸恢復(fù)至規(guī)范要求。由表11可知，與抽提出的瀝青相比，各指標(biāo)在不同再生劑摻量下提升明顯，但增幅逐漸減緩，結(jié)合表3的結(jié)果，再生劑摻量為6%時(shí)即可滿足70號(hào)瀝青的規(guī)范要求，比未摻入新瀝青相比要少2%[16].

4 性能驗(yàn)證

在數(shù)值試驗(yàn)與再生瀝青的研究基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗(yàn)與采用70號(hào)瀝青的ATB-30級(jí)配中級(jí)進(jìn)行性能對(duì)比，主要包括高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性與疲勞性能。其中疲勞試驗(yàn)參考文獻(xiàn)[17]，綜合考慮了試驗(yàn)結(jié)果的代表性與持續(xù)時(shí)間，采用文中的荷載水平2.5 kN、應(yīng)力比0.32進(jìn)行疲勞性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 不同再生劑摻量下混合瀝青的指標(biāo)

由表12可知，與ATB-30級(jí)配中值相比，由于細(xì)料的占比增加，平均動(dòng)穩(wěn)定度降低了9%，而SCB破壞荷載、TSR、疲勞壽命分別提升了43%、8%、72%，說明對(duì)比ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石，緩裂ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石的高溫性能降低，低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能均顯著提升。

5 結(jié)語

a）本文采用SCB試驗(yàn)與單軸貫入試驗(yàn)評(píng)價(jià)ATB-30級(jí)配的性能，應(yīng)用PFC軟件構(gòu)建了數(shù)值試驗(yàn)以減少油石比的影響，以控制誤差10%得出了一組模型參數(shù)。

b）以抗裂性與高溫性能的影響，確定了26.5 mm、19 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm 為關(guān)鍵篩孔，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明26.5 mm通過率對(duì)高溫性能的影響程度大，0.075 mm通過率對(duì)抗裂性影響最大，應(yīng)合理選擇粗集料的占比，提高0.075 mm的通過率以提高抗裂性能，并可充分利用回收料中的細(xì)料，據(jù)此提出了ATB-30抗裂級(jí)配。

c）ATB-30抗裂級(jí)配中19 mm以下采用回收料，摻入粗顆粒與70號(hào)瀝青。在瀝青與再生劑的摻入下，各指標(biāo)提升明顯，增幅逐漸減緩，當(dāng)再生劑摻量為6%時(shí)即可滿足70號(hào)瀝青的規(guī)范要求。

d）經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)與常規(guī)ATB-30級(jí)配中值相比，ATB-30抗裂級(jí)配由于細(xì)料的占比增加，高溫性能降低了9%，而低溫性能、水穩(wěn)定性、疲勞性能分別提升了43%、8%、72%，說明再生緩裂ATB-30級(jí)配在高溫性能衰減不超過10%，而低溫性能與疲勞性能有顯著提升。